Найдавніші сліди людського поселення в районі Костгайму датуються періодом неоліту. У римські часи Костгайм мав стратегічне значення: спочатку як військова база для забезпечення переправи через Майн, потім як плацдарм для стаціонарного дерев'яного мосту, який був побудований у 75-110 роках нашої ери і перетинав річку на захід від сьогоднішньої церкви. Через село проходила військова дорога з Кастеля до Геддернхайму, частиною якої була так звана Штайнерн-штрассе (Steinern Straße). Багато знахідок вказують на те, що в Костгаймі поступово розвивалося римське поселення. Ця епоха закінчилася в 406 році в битві з аланами, субі та вандалами. З цього часу Костгайм має велике значення як річкова переправа, і можна припустити, що місце римського поселення було захоплене германськими племенами. На це вказує і топонім, який можна інтерпретувати як ранньофранкський.

Наступною звісткою про Костгайм є його перша документальна згадка у 790 році, коли Карл Великий видав два документи у "віллі Копсістайно" 31 серпня того ж року. Ця назва походить від латинського "caput stagni", "голова на болоті". Інші форми назви - "Chuffingstang", потім "Cufstain", а з 1217 року "C(h)ostheim". Патронат над місцевою церквою святого Кіліана, а також десятиною належав майнцському жіночому монастирю Альтмюнстер, який був найважливішим землевласником у Костгаймі. Це включало в себе призначення і зарплату місцевого священика і дзвонаря; монастир також відповідав за утримання церковної будівлі. Альтмюнстерський монастир також володів переправою через Майн, яку він здав в оренду костгаймським поромникам у 1432 році; він також здавав в оренду свої землі в Костгаймі іншим церковним установам. Ймовірно, пани Еппштейни також мали власний маєток у Костгаймі. Однак важко відокремити це від судової влади над Костгаймом, яку вони отримали як феод ще в 12 столітті і яку здійснювали уповноважені суб-бейліфи. Центральною церковною владою була архідияконська канцелярія настоятеля церкви св. Петра в Майнці, Кастельський деканат.

Кровну юрисдикцію над Костгаймом здійснював окружний суд Мехтільдсгаузен, який належав до округу Костгайм; бургомістр та олдермени відповідали за цивільну юрисдикцію та сільську адміністрацію. Як задокументовано приблизно з 1330 року, суд засідав у дворі або перед двором панів Святого Стефана, на подвір'ї монастиря Альтмюнстер, біля церковної стіни або перед цвинтарем. Вперше бургомістр, Генріх, згадується на ім'я у 1281 році. Кількість бургомістрів варіювалася від трьох до 13, а з 1475 року збереглася судова печатка. Певний час суд у Костгаймі виконував функції вищого суду для Келькгайму, Мюнстера, Гайдесгайму, Буденгайму та Гаттергайму (1517).

Костгаймський округ поширювався на Гінсгайм на лівому березі Майну і на Хохгайм, Делькенгайм, Ербенгайм і Кастель на правому березі. До 1528 року Костгайм був одним з місць з розділеним місцевим і судовим управлінням: церква св. Стефана в Майнці здійснювала місцеве управління, а пани Еппштейни, як судові виконавці, здійснювали судове управління. Коли вони продали Костгайм ландграфам Гессенським у 1492 році, вони, серед іншого, зберегли за собою судову владу, поки не продали його архієпископу Майнца в серпні 1528 року. Того ж року обов'язки головного писаря та його заступника, бунчужного, землеміра тощо були врегульовані у вайстумі (Weistum). Також були детально описані обов'язки парафіяльного священика святого Кіліана та його дзвонаря, який був одночасно органістом і директором школи. Вперше школа згадується близько 1500 року. Костгайм залишався католицьким під суверенітетом Майнца, незважаючи на те, що Реформація знайшла б у селі своїх прихильників. Костгайм був спалений у 1552 році.

Костгайм також пережив важкі часи під час Тридцятилітньої війни. Село було окуповане шведами, які заснували на лівому березі Майну в районі, що належав Костгайму, Густавсбург як добре укріплений бастіон. Поля на лівому березі Майну і на Маарауе були втрачені для Костгайму назавжди, жителі були змушені виконувати примусові роботи і страждали під тягарем постою. Костгайм ще довго продовжував страждати від наслідків війни; у 1673 році в селищі налічувалося 113 маєтків, частина з яких була "спустошеною і порожньою". Всього було нараховано 162 власники.

Костгайм вже в середньовіччі був оточений міським муром з верхніми воротами на Брухштрассе і нижніми воротами на Майні. Планування вулиць Матильденштрассе, Маргаретенштрассе та Герренштрассе (де мешкали пани Штефани) досі нагадує середньовічну забудову. Щорічно обрані лецмейстери відповідали за безпеку брам і мурів.

У 15 столітті Костгайм був заможним селом, про що свідчить зальбух, в якому записані феодальні збори. Комора на розі вулиць Герренштрассе та Бурґштрассе - це залишок десятини. У 18 столітті процвітало сільське господарство та виноградарство. У 1758 році школа отримала особливу похвалу в шкільній статистиці. На чолі адміністрації у 18 столітті стояли головний пристав і підпристав.

Ці мирні і процвітаючі часи закінчилися з наполеонівськими війнами. Коли революційна Франція окупувала Майнц у 1792 році і французи зійшлися в Кастелі, а німці в Хохгаймі, Костгайм став полем битви. Після кількох обстрілів він перетворився на поле руїн, а парафіяльна церква була зруйнована. У 1803 році Костгайм, як і Кастель, став частиною округу Нассау-Усінген, а в 1806 році повернувся до Майнца і став французьким. Межа між Костгаймом і Хохгаймом стала державним кордоном. Після Віденського конгресу Костгайм і Кастель увійшли до складу Великого герцогства Гессен (провінція Рейн-Гессен, кантон Майнц). 1835 року Костгайм став містом, а 1852 року - районом Майнца. У 1806 році місто налічувало 1 024 мешканців.

У 1808 році, на прохання костгаймського священика Рьослера, Наполеон звільнив Костгайм від податків на 25 років, що спонукало священика Генріха прочитати панахиду за померлим французьким імператором у 1821 році, всупереч суверенній та церковній забороні. У 1809 році після великої пожежі було збудовано так зване Нойдерфче. Село було відбудоване; до 1830 року "село" Костгайм знову налічувало 202 будинки з 1 272 мешканцями, а в 1836 році була освячена нова церква Кіліанскірхе.

Первісна економічна структура Костгайму характеризувалася сільським господарством, садівництвом і виноградарством, але вже у 1281 році згадується костгаймський шкіпер, а у 1662 році рибалка Лоренц Райн належав до гільдії рибалок Майнца. Млин існував щонайпізніше з 1293 р. Завдяки вигідному розташуванню на місці злиття Майн і Рейну, а також мостовому і поромному сполученню з південним берегом Майн, що існувало з давніх часів, Костгайм завжди був перевалочним пунктом для товарів усіх видів. Починаючи з 16 століття, сплав перетворився на одне з головних занять мешканців Костгайму. У 1894 році державна угода передбачала регулювання Нижнього Майну та розширення Костгаймської гавані для сплаву плотів. Спочатку в Костгаймі було п'ять лісопилок, три з яких мали право на сплав лісу. До Другої світової війни в деревообробній промисловості Костгайма працювало близько 200 осіб. Сьогодні існує лише компанія Петера Ейдера.

У 1860-х роках компанія MAN оселилася в Густавсбурзі і перетворилася на одну з провідних компаній з будівництва мостів у Німеччині. Целюлозна фабрика, яка відкрилася 1 червня 1885 року, стала найважливішим роботодавцем. Сірникова фабрика в Костгаймі (відома як "Штрайхгольцер") була побудована в 1887 році, і на ній працювало близько 100 осіб, переважно жінок. Виробництво припинилося наприкінці 1930 року. У 1926 році Lindes Eismaschinen AG заснувала філію в Костгаймі з 250 працівниками. У 1967 році компанія AEG придбала 75% акцій заводу Linde в Костгаймі. Велика пожежа 1971 року знищила складські та виробничі приміщення. Після реконструкції у 1989 році виробництво продовжилося під назвою Duofrost. У 2005 році заводи були продані компанії Carrier GmbH і перенесені до Чеської Республіки.

Необхідна модернізація інфраструктури розпочалася з відкриттям залізниці Таунусбан на лінії Вісбаден-Франкфурт у 1840 році, коли Костгайм втратив землю, необхідну для будівництва залізниці, не маючи власної залізничної станції. У 1887/89 роках було збудовано стаціонарний міст через Майн. У 1907 році Костгайм був підключений до трамвайної мережі Майнца.

Частково завдяки економічному піднесенню населення міста наприкінці 19 століття зросло з 2 971 у 1875 р. до 4 832 у 1895 р. Близько 1900 р. Костгайм розширився на захід по вулиці Вінтерштрассе, а в 1916 р. - по вулиці Майнцер-Вег. Багато назв вулиць нагадують про цей час: Вільгельмштрассе, Вікторіаштрассе, Луїзенштрассе, Людвігштрассе. У 1875 році громада отримала школу для дівчат, а в 1897 році була розширена школа для хлопців. Було засновано численні клуби. У 1870-х роках були зведені нові будівлі по інший бік Вінтерштрассе та Берберіхштрассе. З цього часу в Костгаймі з'явилася протестантська громада, яка в 1906 році отримала власну церкву. Єврейські мешканці, які задокументовані в Костгаймі приблизно з 1820 року, не створили власної громади, а орієнтувалися на Кастель. 1 січня 1913 року Костгайм став частиною міста Майнц. Однак у 1927 році з нього виокремився район Густавсбург. Після Першої світової війни, яка принесла Костгайму дислокацію окупаційних військ, було створено район "Зідлунг Костгайм" - місто-сад з невеликими терасовими будинками на 250 сімей. Костгайм перетворився на село без виразного центру і без чіткого розмежування між заводами та житловими районами.

Промислові компанії, такі як MAN, Cellulose і Linde, вже до 1936 року були орієнтовані на військові потреби війни. MAN виробляв деталі мостів і корпуси кораблів, Cellulose - основні матеріали для виробництва боєприпасів, уніформи, авіаційного пального та медикаментів. Друга світова війна завдала значної шкоди будівлям маєтку та Альт-Костгайму. Вулиця Хохгаймерштрассе була майже повністю зруйнована. Католицькі церкви та сучасний парафіяльний центр у маєтку постраждали від бомбардувань. 113 людей загинули під час повітряних нальотів. Після Другої світової війни були побудовані нові житлові райони, такі як "Сампель", і засновані нові галузі промисловості.

25 липня 1945 року Костгайм був включений до складу Вісбадена. У 2003 році тут все ще існувало сім невеликих ферм площею менше двох гектарів. Крім того, існувало 13 фермерських господарств (переважно виноградарських, 66 га), які обробляють загалом 191 га землі. Сьогодні (станом на 1 січня 2016 року) у Костгаймі проживає 14 076 осіб у 6 752 домогосподарствах.

Особливістю міста є щорічне паломництво парафії Святого Кіліана до Фішбаха в Таунусі. Згідно з твердженнями, які не підтверджені документально, паломництво призвело до появи чудотворного образу в каплиці Гімбаха ще в 1444 році. Причиною, ймовірно, був великий голод. Інші джерела говорять про час близько 1666 року, великого епідемічного року чуми, в якому Костгайм був врятований від епідемії. У 1828 році за наполяганням уряду герцогства Нассау паломництво було перенесено до парафіяльної церкви у Фішбаху. Католики з парафії досі здійснюють туди щорічне покаянне паломництво.

У 1751 році на межовому камені 1603 року було знайдено два перехрещені ножі для лози, викарбувані на межевому камені. Зображення у вигляді срібних кліщів на червоному тлі на межовому камені було обрано гербом Костгайму.